基于BIM技术的输水工程土石方量测算及出图方法研究

李梦龙

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

土石方量的测算是工程行业的一个重要环节，它不仅直接关系到工程的费用概算及方案选优，而且关系到与实际开挖是否相符，其贯穿于工程设计阶段及施工阶段，在一些地质条件较为复杂的地区因土方量测算的精确性经常产生纠纷[1]。输水管线项目由于其自身的工程特点，勘察精度大多控制在200m左右，各阶段土石方量出入较大[2]。传统的方格网法、等高线法、断面法、区域土方量平衡法和平均高程法等测算方法[3]，大多基于分区分块计算，在增大工作量的同时，测算精度也不能有效保证。对于地质勘察人员和施工地质人员主要依据断面钻孔数据进行单断面的绘制横断面图，在勘察阶段及施工阶段横断面密度较大，往往大量耗费时间及人力，制约着工程进度。如何利用勘察数据、实际开挖数据及数字地形数据快速准确的测算出土石方量，并快速绘制横断面图，是加快地质人员工作效率，提升工作质量的关键环节。近年来国内水利水电BIM技术发展迅猛，工程应用形式逐渐从点状工程扩展到线性工程[4-7]，应用范围逐步扩大到地质领域，但受多种原因影响，三维地质建模软件与设计软件相比功能较为薄弱，主要应用于场地工程项目，对于线性项目应用较少，而地质三维技术在水利线性工程中的应用更是少之又少[8-11]。

因此本文基于Geostation软件利用BIM技术实现输水管线项目中土石方的快速准确测算及出图，为线性工程中地质人员工作从二维向三维的过渡提供新的思路。

1 项目概况

2 建模及出图方法

2.1 管线模型

根据设计图纸统计线路各拐点的空间坐标，利用软件中，“导点成线”工具生成空间三维曲线，选取“实体-扫略”工具输入内外径后，生成管道模型，在管线下部切线处即开挖底高程绘制垂直于轴线的智能线，应用“拉伸成面”工具生成面，最后利用“mesh-元素网格”工具将其网格化，生成开挖底面，如图1所示。

图1 管道模型

2.2 地形曲面模型

地形曲面模型精度大小直接影响土石方量的测算。该地形面的生成可以依靠mapstation及Open Rouds生成TIN模型，本文中以Geostation软件为例进行地形模型的建立。首先参考测量专业人员提供的1∶2000数字地形图(dwg或者shp文件皆可)并将其合并到主文件，应用“拟合生成面”工具，选取生成地形面，根据个人需求绘制模型范围，采用“线剪切面”工具切割地形面，确定最终地形模型，如图2所示。值得注意的是地形文件导入后，需要关闭等高线及高程点以外图层，确保地形模型的准确性。如果基础地形图数据格式为TIN，需要用“TIN转DTM”工具进行转换。对于局部微地形要求较高的地形模型，可以采用Mapstation对局部网格做到精准修改。

图2 地形面模型

2.3 地质实体模型

地质实体模型为开挖方量测算及出图的基础，在设计阶段与施工阶段的建模过程中，建模方法略有区别。

勘察期地质实体模型建模方法：将钻探基础资料导入到Geodata manage数据库之中，Geostation for city 中“直接建模”工具建立的地质实体模型在整体修改及局部控制方面存在不足，因此本文采用手动建模。应用“拉伸面”工具拉伸地形模型至剖面出图的最大深度，建立钻孔模型及勘探线模型，绘制横纵剖面各岩性分层点连线并赋予相应界面属性，在三维模式下利用“带边界生成mesh”工具生成岩性分界面，反复此操作生成全部亚宁界面，最后采用“面剪切体”工具利用生成的岩性界面切割地质体，生成地质实体模型，同时赋予相应岩性属性，如图3所示。

图3 地质实体模型

施工期实体模型建立采用手动建模方式，施工期间正常以300m左右为一个开挖槽段，验槽期间采用RTK分层采集分界线控制点的空间坐标数据[12]，在岩层变化较大的部位加密采集密度，利用Geostation for city中“导入点”工具，直接导入同一地层分界处的散点，并采用“带边界TIN生成”工具生成分界曲面，同时赋予分界属性，最后重复以上操作生成各分界面，重复勘察期手动建模流程生成地质实体。需要注意的是在面剪切体之前，需要“更改网格法线”工具确定被开挖体与开挖面的法线方向，在被开挖体法线向外同时开挖面法线向上的情况下，剪切速度最快，成功率最高。并且生成的岩性分界面的范围需要大于地质实体的投影范围。

2.4 开挖模型

开挖模型建立之前需使用“夹角量测”工具确定管线中心轴线方位角，软件默认y正向为正北方向。在开挖底面上提取平行于轴线的两条边线，利用“迹线轨迹生成面”工具，输入向上延伸、轴线方向79.9°倾向南西、倾角为Arctan 0.76=53.13生成岩石部分的开挖界面。利用“面面剪切-勾选求算剪切交线”工具，将开挖界面分割成两部分，生成强风化界面与岩石开挖界限的交线，之后以交界线为迹线输入向上延伸、轴线方向79.9°倾向南西、倾角为Arctan 1.25=38.67生成土部分的开挖界面，重复以上方法完成左侧开挖界面。在完成以上操作后，选择 “mesh-缝合网格”工具将上述各网格面合并成一个开挖模型，如图4所示。

图4 开挖界面模型

2.5 土石方量测算

利用mesh工具集中“面剪切体-勾选切分mesh面”工具，对地质实体模型进行剪切，可以将开挖体与被开挖体分割，如图5所示。之后利用“土石方量测算”工具选择目标岩性实体，即可确定开挖方量。

图5 开挖体与被开挖体

2.6 批量出图

采用“勘探线建模”工具建立桩号23+200、23+600两处勘探线模型，利用“批量切剖面”可以自动绘制两勘探线之间任意间距任意方向的横断面，出图后进行长度及高程标注即可完成横断面图的出图，如图6所示。

图6 横断面图

2.7 可视化显示

模型建立完毕后将各模型导入至总文件之中，根据展示目的，利用 “显示样式管理器”工具切换各类显示样式，如图7所示。通过调节内部参数达到理想展示效果[13-15]。

图7 多模式下模型显示样式

3 与传统工作方式对比

3.1 新的工作流程

区别于传统的方格网法、等高线法、断面法、区域土方量平衡法和平均高程法等土石方量测算方法，此方法将土石方开挖量测算与设计/竣工出图工作流程进行整合，即在设计出图过程中已将开挖量测算完毕，即工作方式由传统的“串联方式”转换至“并联方式”，缩短了工作时长，提升了工作效率。

3.2 精准性

该方法土石方量测算的精准程度主要取决于分界面的绘制精度，在设计及施工阶段岩性界面空间数据获取较为便利的条件下，结合经验推测的地质点，可以大幅度提升分层界面的精度。

3.3 便捷性

地质实体模型及地形曲面模型建立后，可以根据不同的开挖曲面，测算任意槽段任意岩性的开挖方量，可以在不同横断面位置，任意角度任意长度切割地质模型，快速批量生成设计图或竣工图，大大的提升的出图效率，缩短设计周期。

3.4 直观性

在设计阶段可以直观的观察到管线持力层岩性，确定承载力大小及不良地质现象，为加强设计提供支持；对比不同槽段的设计开挖体岩性与实际开挖岩性，可以确定造成土石方量变化的主要原因。

4 结论

相比传统的二维设计及算量的方式，BIM技术提供了另一种将出图、土石方开挖算量、可视化同时进行的融合性的解决方案，其具有精准、简便、快捷、直观的特征，适用于长距离输水管线的设计及施工过程，符合地质人员工作方式，该方法同样适用于勘探孔较为密集的点状工程的设计施工过程。

本方法基于Geostation V8i版本基础进行的，“三维实体切割”有时因为网格问题造成剪切失败，随着CE版改进，“围合”等功能将逐步改进三维地质实体的分割方式。下一步将探究BIM技术在复杂边坡设计计算中弥补岩土ACE软件空间绘图方面缺陷的能力。